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发射火箭为什么要分级?

“航天之父”齐奥尔科夫斯基曾说,地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。人类要想走出地球,首先需要摆脱地球引力的束缚,这就需要具备很大的速度,这个速度叫第一宇宙速度,它大概为7.9公里每秒。

众所周知,我国的高铁技术全球领先,复兴号设计运营时速能达到350公里每小时,从北京到上海只要大概5个小时。然而,复兴号高铁相较于航天器,简直是小巫见大巫。这段路程对于以第一宇宙速度飞行的航天器来说用不到5分钟,可以想象航天器的速度有多快了,航天器获得这么高的速度靠的是多级运载火箭。那么问题来了,单级火箭可不可以把航天器送上天?为什么要使用多级火箭呢?

提到火箭分级,不得不提到齐奥尔科夫斯基,让火箭飞向太空探测宇宙就是他最先提出来的。这位科学家的贡献还不限于此,他还提出了著名的火箭运动方程式(这个公式被后人称为齐奥尔科夫斯基公式,其奠定了火箭飞行理论的基础),即火箭最终的速度等于火箭的喷气速度与火箭质量比的对数的乘积。

火箭的质量比是指火箭的原始质量与火箭的最后质量的比值。在经过一系列数学运算以后,他又指出,对于使用某种推进剂火箭来说,要使最终速度达到第一宇宙速度,火箭的质量比要非常之大,火箭的壳体将要做的非常薄,甚至比鸡蛋壳还要薄。如此严酷的条件,还要耐受高温、高压、真空等恶劣工作环境,火箭升空真的很不容易。

使用单级火箭来提高火箭的质量比遇到了瓶颈,如何提高火箭的质量比,便成为一个亟待解决的课题。齐奥尔科夫斯基为解决这一难题作出了贡献,提出了把火箭分级的方案。

通过把火箭分级,多级火箭在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量,提高了火箭的质量比,因而在火箭飞行过程中,能够获得更好的加速性能,逐步达到预定的飞行速度。多级火箭各级发动机也是独立工作的,可以按照每一级的飞行条件设计发动机,使发动机处于最佳工作状态,更好地提高了火箭的飞行性能。

那是不是火箭的级数越高越好了?理论上确实如此,级数越高,意味着抛掉的多余质量越多,火箭的质量比就越大,能达到的飞行速度就越高。但是级数太多,每级之间的连接和分离机构部分也要相应增多,这也会影响火箭的整体重量和强度,并带来一些复杂的技术问题,可靠性也会降低。所以,现代火箭往往用两级、三级或四级火箭(四级火箭即末级火箭)来发射人造地球卫星。

总的来看,火箭目前是唯一能达到宇宙速度、摆脱地球引力、进入宇宙空间的运载工具。火箭的分级能够提高火箭的质量比,从而提高火箭的发射速度,所以现在发射卫星使用的皆是多级火箭。

本文由空军指挥学院教授徐邦年进行科学性把关。

责任编辑:林晓兵

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